滾拋工序?qū)Ρ鋲嚎s機(jī)閥片性能的影響研究

肖 鵬 張勤建 楊 驊 朱雅君

（加西貝拉壓縮機(jī)有限公司 嘉興 314006）

引言

冰箱壓縮機(jī)的閥片相當(dāng)于其“心臟瓣膜”，閥片一旦失效會導(dǎo)致整臺壓縮機(jī)的報廢，因而閥片的可靠性至關(guān)重要。付玉彬[1]與許竹桃[2]等人對冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片進(jìn)行了失效分析，發(fā)現(xiàn)閥片的常見斷裂機(jī)制是疲勞斷裂。滾拋可以改善閥片的疲勞強(qiáng)度，是閥片生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的工序，直接決定了閥片的最終質(zhì)量[3]。但滾拋工序?qū)﹂y片表面微觀形貌、表面粗糙度、顯微組織、硬度及疲勞壽命等各項性能的系統(tǒng)研究還未見相關(guān)報道。本文對材質(zhì)為Sandvik-Hiflex的吸氣閥片進(jìn)行了滾拋前、后各項性能的研究。通過明確閥片滾拋前后各項性能的具體差異，可以掌握滾拋改善閥片疲勞性能的根本原因，從而更好地提升閥片的可靠性。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用閥片為冰箱壓縮機(jī)吸氣閥片，材質(zhì)為Sandvik-Hiflex，厚度為0.178 mm。分別取多片滾拋前及滾拋后的閥片進(jìn)行了分析測試。采用金相顯微鏡觀察測量了閥片滾拋圓角；采用維氏硬度計對滾拋前后的閥片硬度進(jìn)行了測試；對滾拋前后的閥片舌簧區(qū)域表面的不同方向進(jìn)行了表面粗糙度測量；采用掃描電鏡（SEM）對滾拋前后的閥片表面及舌簧沖裁端面進(jìn)行了微觀形貌觀察，并對閥片的顯微組織進(jìn)行了分析；在沖擊疲勞壽命臺上對滾拋前后的閥片進(jìn)行了沖擊疲勞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滾拋圓角的觀察與測量

為了觀測閥片滾拋圓角，將閥片滾拋前及滾拋后的舌簧縱向剖開進(jìn)行鑲嵌、磨拋制樣，然后在金相顯微鏡下觀測。如圖1所示，閥片滾拋前的邊緣端面尖銳，近似直角；滾拋后具有明顯圓角，平均圓弧直徑約為40.0 μm?？梢姡瑵L拋可以顯著平滑閥片的鋒利邊緣。

2.2 硬度檢測與分析

取滾拋前后的閥片各5片，每片進(jìn)行2次維氏硬度檢測，結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可知，閥片硬度較均勻，閥片滾拋后的硬度略大于滾拋前，這是由于閥片在滾拋過程中反復(fù)與磨料、筒體磨擦撞擊使閥片產(chǎn)生了輕微的加工硬化作用。

2.3 表面粗糙度測量與分析

對滾拋前后的閥片各5片進(jìn)行舌簧區(qū)域的表面粗糙度測量，分別沿著平行于舌簧方向及垂直于舌簧方向進(jìn)行測試，測定結(jié)果見表2。由測試結(jié)果可知，滾拋前的閥片在垂直于舌簧方向上的粗糙度約為平行于舌簧方向的2倍，滾拋后閥片的粗糙度在兩個方向基本無差別且略大于滾拋前在垂直于舌簧方向的粗糙度。滾拋前閥片表面粗糙度具有明顯的方向性，這是由于閥片沿著軋制方向會產(chǎn)生軋制條帶、紋理，經(jīng)過滾拋工序可以去除軋制痕跡，從而消除粗糙度的方向性。

2.4 顯微組織觀察與分析

對制備好的金相試樣進(jìn)行合適的組織浸蝕，然后采用掃描電鏡（SEM）對閥片滾拋前后的材料顯微組織進(jìn)行觀察，組織照片如圖2所示。滾拋處理前后，閥片的顯微組織無明顯區(qū)別，均為細(xì)小彌散的碳化物分散在回火馬氏體基體上，碳化物尺寸小于1 μm，馬氏體基體不完全回火，帶有馬氏體位向。

圖1 閥片滾拋前后舌簧邊緣形貌

表1 閥片滾拋前后硬度值

表2 閥片滾拋前后表面粗糙度值

2.5 表面形貌觀察與分析

對滾拋前后的閥片進(jìn)行低倍放大觀察并對舌簧區(qū)域表面形貌進(jìn)行高倍放大觀察分析，如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：滾拋前的閥片表面存在明顯的單方向軋制痕跡，滾拋后的閥片表面軋制痕跡已被去除，留下了無方向性的加工痕跡。

圖2 閥片滾拋前后顯微組織

圖3 閥片滾拋前后顯微組織

2.6 舌簧沖裁端面形貌觀察與分析

采用掃描電鏡（SEM）對閥片滾拋前后的舌簧頭部沖裁端面微觀形貌對比分析，微觀形貌如圖4所示。滾拋前閥片的舌簧端面較為毛糙，端面切口呈現(xiàn)方向性明顯的沖裁痕跡，進(jìn)一步放大發(fā)現(xiàn)切口中分布大量的拉長的“韌窩”狀小孔，這相當(dāng)于材料中的微裂紋，這是閥片沖裁加工過程中產(chǎn)生的撕裂韌窩，即塑性金屬材料在塑性斷裂中留下的特征痕跡。滾拋后閥片的舌簧端面變得圓滑、相對平整，放大后基本看不到撕裂韌窩。有文獻(xiàn)研究表明[4]，閥片的裂紋通常起源于與閥板接觸的閥片邊緣，隨后裂紋傾向于沿拍擊面的徑向擴(kuò)展。滾拋工序消除了閥片端面的微裂紋，即裂紋源，從而可以降低裂紋萌生的概率。

2.7 疲勞壽命測試與分析

取多片滾拋前、后的閥片在沖擊疲勞壽命臺上進(jìn)行沖擊疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：滾拋前與滾拋后的閥片沖擊疲勞壽命平均值分別為8.7×106次、43.1×106次，滾拋后的疲勞壽命約為滾拋前的5倍，差異明顯。閥片疲勞失效的部位集中在舌簧頭部，舌簧頭部左邊、右邊及上部均會出現(xiàn)疲勞破損。由疲勞壽命測試數(shù)據(jù)可知，閥片的滾拋工序?qū)ζ淦谛阅艿奶岣呔哂忻黠@影響，滾拋一方面去除了閥片表面的缺口、毛刺，降低了裂紋萌生概率，另一方面，滾拋大大增加了閥片表面的壓應(yīng)力，抑制了疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。Seong-wooWoo[5]等人對壓縮機(jī)閥片可靠性的研究表明，應(yīng)力集中易導(dǎo)致閥片出現(xiàn)早期失效。滾拋處理使閥片邊緣端面的直角轉(zhuǎn)化為一定尺寸圓弧狀，降低了閥片的應(yīng)力集中程度，從而降低了閥片運(yùn)行過程中的裂紋萌生概率。

圖4 閥片滾拋前后舌簧端面形貌

3 結(jié)論

滾拋工序充分去除了壓縮機(jī)閥片舌簧沖裁端面的微裂紋，抑制了疲勞裂紋的萌生；滾拋可顯著平滑閥片的鋒利邊緣，降低其拍擊時的應(yīng)力集中程度。閥片滾拋處理后的疲勞壽命約為滾拋前的5倍。滾拋工序會使閥片產(chǎn)生輕微的加工硬化作用，同時去除了閥片表面的軋制條紋，但不會導(dǎo)致閥片的顯微組織發(fā)生變化。